JP6014481B2 - 車両用回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機の回転子に関する。

従来から、ボビンに巻き回されたフィールドコイルと、それぞれが６個の爪部を有する一対のランデル型ポールコアと、隣接する爪部間に挿入された永久磁石と、回転軸となるシャフトとを含んで構成されるロータを備えるランデルコア型回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このランデルコア型回転電機において、永久磁石は、各爪部の最内径よりもさらに内径側に突出するように配置されており、この突出部分の周方向の側面が斜流ファンおよび冷却フィンとして機能することにより、それぞれの永久磁石の冷却が行われる。

特開平１０−２７１７８０号公報

ところで、特許文献１に開示されたランデルコア型回転電機では、各爪部の先端は、材料削減や軽量化のため、磁気回路で必要な長さに設計される。具体的には、固定子鉄心の軸方向端面と各爪部の先端とがほぼ同じ位置になるように各爪部の長さが設定される。このため、各爪部の先端位置からポールコアの軸方向端面との間には空間が生じることになり、回転子の表面であって隣接する爪部間に沿って流れる冷却風がこの空間で干渉することで乱れが生じる。その結果、永久磁石近傍の冷却風の流れが阻害され、永久磁石の冷却性能が低下するという問題があった。特に、永久磁石を備える回転子では、ポールコアの各爪部の間に永久磁石が配置されており、回転子の内部（永久磁石より内径側）と外部とで空気の入れ替え量が少ないため、上述した空気の干渉による乱れにより冷却風の流れが阻害されると、永久磁石の冷却性能低下が顕著になる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、永久磁石近傍の冷却風の流れを改善することにより冷却性能を向上させることができる車両用回転電機の回転子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機の回転子は、一対のポールコア、複数の永久磁石、磁石保持部材、界磁巻線、延長部を備える。一対のポールコアは、それぞれに複数の爪部が形成されている。複数の永久磁石は、一対のポールコアの爪部の間に配置されている。磁石保持部材は、複数の永久磁石を保持する。界磁巻線は、一対のポールコアを磁化させる。延長部は、一方のポールコアの爪部の先端に、他方のポールコアの軸方向端面に向けてこの爪部の先端を延長する向きに設けられている。また、磁石保持部材は、内径側に、永久磁石の長手方向に沿った向きに延在する凸部を有する。

回転子の爪部の先端側に延長部を配置することにより、爪部の形状に合わせて爪部間に沿って流れる冷却風同士が爪部の先端部分において干渉することを防止することができるため、爪部間に配置された永久磁石近傍の冷却風の流れを改善して冷却性能を向上させることができる。また、永久磁石の冷却性能向上により、耐熱温度が低く単価が安い永久磁石を用いることができるため、回転子およびこれを用いた車両用回転電機のコスト低減につながるとともに、発熱量増大に対応できるため同じ体格で出力を向上させることが可能となる。

第１の実施形態の車両用交流発電機の断面図である。 回転子の詳細形状を示す断面図である。 永久磁石が組み付けられた回転子の部分的な斜視図である 永久磁石が組み付けられた従来の回転子の部分的な斜視図である。 第２の実施形態の回転子の詳細形状を示す断面図である。 延長部の有無と吐出空気量との関係を示す図である。 延長部の有無と回転子内部空気温度との関係を示す図である。 第３の実施形態の回転子の詳細形状を示す断面図である。 磁石保持部材の外径側に凸部を追加した変形例を示す回転子の部分的な斜視図である。 内径側に凸部を追加した変形例を示す磁石保持部材の部分的な斜視図である。

以下、本発明の車両用回転電機の回転子を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、第１の実施形態の車両用交流発電機１００は、回転子１、固定子２、フロントハウジング３、リアハウジング４、プーリ５、ブラシ装置７、整流器８、レギュレータ９を含んで構成されている。

固定子２は、回転子１と対向配置されており、固定子鉄心２１に固定子巻線２２を巻装することで構成されている。この固定子２は、フロントハウジング３およびリアハウジング４に挟み込まれて固定されている。フロントハウジング３およびリアハウジング４は、固定子２を挟み込んだ状態でボルトにより締結されている。フロントハウジング３およびリアハウジング４は、軸受けを介して回転子１の回転軸１１を回転自在に支持している。

回転子１は、図２に示すように、回転軸１１に固定された前側（プーリ側）のポールコア１２と、後側（反プーリ側）のポールコア１３と、一対のポールコア１２、１３を磁化させる界磁巻線１４と、複数の永久磁石１５およびこれを保持する磁石保持部材１６とを含んで構成されている。永久磁石１５は、非磁性材料で構成された磁石保持部材１６によって、外径方向および周方向が覆われている。

ポールコア１２、１３は、ランデル式回転子の一対のポールコアとして用いられる。前側のポールコア１２は、円柱形状のボス部１２１と、ボス部１２１の前端側から径方向外側へ延在する円盤状のディスク部１２２と、ディスク部１２２から軸方向後方へ延在する複数の爪部１２３と、各爪部１２３の先端に各爪部１２３を延長する向きに設けられた複数の延長部１２４とからなる。後側のポールコア１３も前側のポールコア１２と同一形状を有し、ボス部１３１、ディスク部１３２、複数の爪部１３３、複数の延長部１３４からなる。ポールコア１２の後端面とポールコア１３の前端面とが対向して接面され、界磁巻線１４がポールコア１２、１３により（具体的には、ボス部１２１、１３１と各爪部１２３、１３３とにより）囲まれている。ポールコア１２、１３は軟磁性体材料により形成されており、ポールコア１２の爪部１２３とポールコア１３の爪部１３３とが周方向交互に配置される。また、複数の永久磁石１５のそれぞれは、周方向に隣接する一方のポールコア１２の爪部１２３と他方のポールコア１３の爪部１３３の間に配置されている。

次に、爪部１２３と延長部１２４について説明する。なお、爪部１３３と延長部１３４についても同様であり、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、一方のポールコア１２の爪部１２３の先端には、他方のポールコア１３の軸方向端面に向けてこの爪部１２３の先端を延長する向きに延長部１２４が設けられている。爪部１２３は先端になるほど周方向幅が狭くなっており、その先端を延長する延長部１２４も同様に先端になるほど周方向幅が狭くなっている。

図３に示す例では、延長部１２４は、爪部１２３と一体に形成されている。これにより、ポールコア１２を製造する際に、延長部１２４を同時に、しかも、延長部１２４専用の工程を追加することなく製造することができ、工程の簡略化とコスト低減が可能となる。

なお、爪部１２３と延長部１２４とが一体に形成されている場合に、発電に有効な磁気回路を形成するための区間（例えば、固定子鉄心２１と対向する区間）が爪部１２３に対応し、その先端側が延長部１２４に対応する。

また、延長部１２４の先端位置は、他方のポールコア１３の軸方向端面（図２に示す例では、左側に配置されたポールコア１３の左側の軸方向端面）の位置に対して所定範囲に含まれるように設定される。この所定範囲は、一対のポールコア１２、１３の軸方向端面間距離（図２に示す例では、右側に配置されたポールコア１２の右側の軸方向端面から、左側に配置されたポールコア１３の左側の軸方向端面までの距離）の±５％の範囲、すなわち、ポールコア１３の軸方向端面位置にほぼ一致させることが望ましい。

ところで、図３に示すように、爪部１２３、１３３の外周面Ａに対して、これらの爪部１２３、１３３間に配置された永久磁石１５および磁石保持部材１６の外周面Ｂが若干小径となって段差が生じるように設定されている。回転子１が回転すると、固定子鉄心２１の内周面と回転子１の外周面との間の隙間における空気は、回転子１に引きずられてクエット流れを形成する。このとき、上述したように、爪部１２３、１３３の外周面Ａに対して永久磁石１５および磁石保持部材１６の外周面Ｂとの間に段差があるため、クエット流れに加えて爪部１２３、１３３の形状に沿った軸方向の空気流れ（冷却風の流れ）が生じる。

延長部１２４、１３４がない従来の回転子の場合には、図４に示すように、爪部１２３、１３３の形状に沿った軸方向の空気流れＣ１、Ｃ２が生じるが、これら２つの空気流れＣ１、Ｃ２は向きが異なるため、爪部１２３、１３３の先端部分で互いに干渉しあってそれぞれの空気流れＣ１、Ｃ２が乱れ（図４では干渉の様子がＤで示されている）、軸方向の空気流れＣ１、Ｃ２が阻害される。これに対し、図３に示す本実施形態の回転子１では、爪部１２３、１３３の先端に延長部１２４、１３４が延在しているため、軸方向の空気流れＣが干渉せずにそれぞれの流れが阻害されることもない。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１００の回転子１では、爪部１２３、１３３の先端側に延長部１２４、１３４を配置することにより、爪部１２３、１３３の形状に合わせて爪部１２３、１３３間に沿って流れる冷却風同士が爪部１２３、１３３の先端部分において干渉することを防止することができるため、爪部１２３、１３３間に配置された永久磁石１５近傍の冷却風の流れを改善して冷却性能を向上させることができる。また、永久磁石１５の冷却性能向上により、耐熱温度が低く単価が安い永久磁石１５を用いることができるため、回転子１およびこれを用いた車両用交流発電機１００のコスト低減につながるとともに、発熱量増大に対応できるため同じ体格で出力を向上させることが可能となる。

特に、爪部１２３、１３３の外周面Ａに対して、爪部１２３、１３３間に配置された永久磁石１５および磁石保持部材１６の外周面Ｂが小径の場合には、これらの外周面Ａ、Ｂ間の段差により永久磁石１５に沿った冷却風の流れが生じ、この冷却風が爪部１２３、１３３の先端部分において干渉することを防止することができる。

また、延長部１２４、１３４の先端位置を、ポールコア１２、１３の軸方向端面の位置に対して所定範囲内、望ましくは軸方向端面間距離の±５％の範囲内としている。これにより、爪部１２３、１３３の先端部分に生じる空間の全体に延長部１２４、１３４を配置することができ、冷却風を延長部１２４、１３４に沿って流すことができ、冷却風が干渉することを確実に防止することができる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、延長部１２４、１３４は爪部１２３、１３３と一体に形成されていたが、別部材を用いて形成するようにしてもよい。図５に示す例では、爪部１２３の先端にこの爪部１２３とは別部材により形成された延長部１２４Ａが配置されている。同様に、爪部１３３の先端にこの爪部１３３とは別部材により形成された延長部１３４Ａが配置されている。これらの延長部１２４Ａ、１３４Ａは、爪部１２３、１３３と同じ材質を用いて形成してもよいが、異なる材料を用いるようにしてもよい。特に、これらの延長部１２４、１３４は、磁気回路の一部を構成するものではないため、樹脂材料や軽量金属材料（例えばアルミニウム）を用いることにより軽量化を図ることができる。また、爪部１２３、１３３と延長部１２４Ａ、１３４Ａとの間の接合は、溶接や接着材を用いて行う場合などが考えられる。あるいは、延長部１２４Ａ、１３４Ａの端部（爪部１２３、１３３と反対側）を他の部材を用いて固定するようにしてもよい。例えば、ポールコア１２、１３の軸方向端面に冷却ファンが接合されている場合には、この冷却ファンに延長部１２４Ａ、１３４Ａの端部を接着やネジ締め、かしめなどにより連結して固定することが考えられる。また、ポールコア１２、１３の軸方向端面に固定用部材（例えば円板）を取り付けて、これに延長部１２４Ａ、１３４Ａの端部を接着やネジ締め、かしめなどにより連結して固定するようにしてもよい。

このように、爪部１２３、１３３の先端側に延長部１２４Ａ、１３４Ａを配置することにより、爪部１２３、１３３の形状に合わせて爪部１２３、１３３間に沿って流れる冷却風同士が爪部１２３、１３３の先端部分において干渉することを防止することができるため、爪部１２３、１３３間に配置された永久磁石１５近傍の冷却風の流れを改善して冷却性能を向上させることができる。

延長部１２４Ａ、１３４Ａの有無と吐出空気量との関係を試験した結果、図６に示すように、従来構成の回転子を用いた場合に比べて、延長部１２４Ａ、１３４Ａを追加することにより、回転子の内部から外部に吐出される空気量（風速）が２５．８％増加したことが確かめられた。

また、延長部１２４Ａ、１３４Ａの有無と回転子内部空気温度との関係を試算した結果、図７に示すように、従来構成の回転子を用いた場合に比べて、延長部１２４Ａ、１３４Ａを追加することにより、回転子の内部温度が２５．８％低減したことが確かめられた。

また、爪部１２３、１３３とは別部材の延長部１２４Ａ、１３４Ａを用いることにより、従来から用いられているポールコア１２、１３の形状を変更する必要がないため、設計変更の手間を最小限にすることができる。特に、ポールコア１２、１３をプレス成型する場合には、高価なプレス型を用いることになるため、別部材を用いて延長部１２４Ａ、１３４Ａを形成することにより、延長部追加に伴うコスト増加を最小限にすることができる。

（第３の実施形態）
爪部１２３、１３３と一体に、あるいは、別部材を用いて延長部を形成する代わりに、他の方法で延長部を形成するようにしてもよい。図８に示す例では、爪部１２３の先端に、磁石保持部材１６と一体に形成された、すなわち、第１および第２の実施形態で用いられた磁石保持部材１６の形状を部分的に変更して形成された延長部１２４Ｂが配置されている。同様に、爪部１３３の先端に、磁石保持部材１６と一体に形成された延長部１３４Ｂが配置されている。

このように、爪部１２３、１３３の先端側に、磁石保持部材１６と一体に形成された延長部１２４Ｂ、１３４Ｂを配置することにより、爪部１２３、１３３の形状に合わせて爪部１２３、１３３間に沿って流れる冷却風同士が爪部１２３、１３３の先端部分において干渉することを防止することができるため、爪部１２３、１３３間に配置された永久磁石１５近傍の冷却風の流れを改善して冷却性能を向上させることができる。

また、磁石保持部材１６の形状変更のみですむため、専用の工程を追加することなく延長部１２４Ｂ、１３４Ｂを製造することができ、工程の簡略化とコスト低減が可能となる。また、従来から用いられているポールコア１２、１３をそのまま用いることが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では車両用交流発電機１００について説明したが、電動機や発電電動機などの他の車両用回転電機に本発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、爪部１２３、１３３の先端に延長部１２４、１３４等を配置して冷却風の流れに乱れが生じないようにしたが、磁石保持部材１６の外径側あるいは内径側に、永久磁石１５の長手方向に沿った凸部を追加して冷却風の流れを円滑にして冷却性向上を実現するようにしてもよい。

例えば、図９に示すように、磁石保持部材１６の外径側に、永久磁石１５の長手方向に沿った向きに延在する凸部２００を形成するようにしてもよい。このような凸部２００を形成することにより、凸部２００に沿った冷却風の流れを促進するとともに磁石保持部材１６の表面積を増加させることができるため、永久磁石１５の冷却性を向上させることができる。

また、図１０に示すように、磁石保持部材１６の内径側に、永久磁石１５の長手方向に沿った向きに延在する凸部２１０、２１２を形成するようにしてもよい。このような凸部２１０、２１２を形成することにより、回転子の回転時に磁石保持部材１６の内径側の空気が遠心力で外径側に押し付けられる際に、これらの凸部２１０、２１２に沿った冷却風の流れを促進するとともに磁石保持部材１６の表面積を増加させることができるため、永久磁石１５の冷却性を向上させることができる。

図９に示した凸部２００や図１０に示した凸部２１０、２１２は、上述した第１〜第３の実施形態の回転子と組み合わせて用いるようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、回転子の爪部の先端側に延長部を配置することにより、爪部の形状に合わせて爪部間に沿って流れる冷却風同士が爪部の先端部分において干渉することを防止することができるため、爪部間に配置された永久磁石近傍の冷却風の流れを改善して冷却性能を向上させることができる。

１２、１３ ポールコア
１２３、１３３ 爪部
１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ、１３４、１３４Ａ、１３４Ｂ 延長部
１４ 界磁巻線
１５ 永久磁石
１６ 磁石保持部材

Claims (8)

1. それぞれに複数の爪部が形成された一対のポールコア（１２、１３）と、
   前記一対のポールコアの前記爪部（１２３、１３３）の間に配置された複数の永久磁石（１５）と、
   前記複数の永久磁石を保持する磁石保持部材（１６）と、
   前記一対のポールコアを磁化させる界磁巻線（１４）と、
   一方の前記ポールコアの前記爪部の先端に、他方の前記ポールコアの軸方向端面に向けてこの爪部の先端を延長する向きに設けられた延長部（１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ、１３４、１３４Ａ、１３４Ｂ）と、
   を備え、前記磁石保持部材は、内径側に、前記永久磁石の長手方向に沿った向きに延在する凸部を有することを特徴とする車両用回転電機の回転子。
2. 請求項１において、
   前記爪部は、先端になるほど周方向幅が狭くなることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
3. 請求項１または２において、
   前記爪部の外周面に対して、前記爪部間に配置された前記永久磁石および前記磁石保持部材の外周面は小径であることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記延長部の先端位置は、前記軸方向端面の位置に対して所定範囲に含まれることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
5. 請求項４において、
   前記所定範囲は、前記一対のポールコアの軸方向端面間距離の±５％の範囲であることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記延長部（１２４、１３４）は、前記爪部と一体に形成されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記延長部（１２４Ａ、１３４Ａ）は、前記爪部とは別部材を用いて形成されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。
8. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記延長部（１２４Ｂ、１３４Ｂ）は、前記磁石保持部材と一体に形成されていることを特徴とする車両用回転電機の回転子。

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